Июнь 2010 года – это не только первый летний месяц года, это еще и месяц первого рабочего раунда ЦЕРНовского эксперимента по изучению связи между космическими лучами, атмосферными процессами и климатом на Земле – CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets). На днях (работы закончились в первые дни июля) из ЦЕРНа вернулся руководитель российской группы-участницы проекта, главный научный сотрудник ФИАН, доктор физ.-мат. наук Владимир Махмутов и рассказал о подробностях проведения эксперимента.

Экспериментальная база проекта CLOUD создавалась в течение нескольких лет и успешно прошла стадию калибровки еще в ноябре 2009 года. Но только сейчас участники международной коллаборации (помимо России в проекте участвует еще 9 стран – Австрия, Болгария, Великобритания, Германия, Португалия, США, Финляндия, Швейцария и Эстония) дождалась своей «очереди» на работу с источником ускоренных частиц – протонным синхротроном PS. Согласно сценарию эксперимента пучок частиц от этого ускорителя, имитируя космические лучи, попадает в специальную трехметровую камеру, в которой можно создавать близкие к атмосферным условия на разных высотах. Множество точных детекторов, которыми снабжена камера, позволят наблюдать за развитием происходящих в ней процессов, в частности, за появлением положительно и отрицательно заряженных ионов, их эволюцией и взаимодействием с центрами конденсации водных капель и т.д.

Нужно сказать, что связь между космическими лучами, атмосферными процессами и изменением климата обсуждается учеными уже более десяти лет. Особенно актуальным этот вопрос стал в связи с наблюдением на протяжении последних полутора лет аномально высоких потоков космических лучей (см. рис. ниже), поэтому вывод относительно того, какие изменения в связи с этим могут произойти в атмосфере Земли, станет одним из центральных выводов международного эксперимента CLOUD.

Рис. 1. Потоки космических лучей в атмосфере Земли.

При проведении совместного анализа лабораторных экспериментальных данных и состыковки их с условиями в природе ученые будут опираться на результаты наблюдений за космическими лучами в земной атмосфере. Такие наблюдения с помощью радиозондов вот уже более полувека проводят сотрудники Долгопрудненской научной станции имени С.Н. Вернова ФИАН (лаборатория Физики Солнца и космических лучей). Именно они и являются одними из инициаторов и представителями России в проекте CLOUD. Одним из важнейших результатов работы долгопрудненских астрофизиков стали данные о поведении космических лучей в зависимости от атмосферного давления, уровня солнечной активности и геомагнитных условий в зоне наблюдения.

До начала 90-х годов мы проводили измерения ежедневно, иногда даже 2 раза в сутки, сейчас, из-за финансовых трудностей, они проводятся 3 раза в неделю. Зоны наших наблюдений – это станции Апатиты (Мурманская область), город Москва и антарктическая станция Мирный. Таким образом, мы охватываем средние широты, а также южные и северные полярные зоны. Полярные широты особенно важны, так как структура магнитного поля Земли в полярных областях, в отличие от средних широт, позволяет проникать в атмосферу Земли заряженным частицам малых энергий. Анализируя данные, полученные на разных широтах и высотах в атмосфере, мы можем установить, как ведут себя частицы разных энергий – малых, средних, больших", – рассказывает заведующий ДНС ФИАН Юрий Стожков.

Как сообщил Владимир Махмутов, в первом рабочем раунде эксперимента CLOUD в широких пределах варьировались пространственно-временные характеристики потока ионизирующих частиц, например, его плотность. Таким способом исследователи планируют определить время жизни отрицательно и положительно заряженных ионов в зависимости от уровня ионизации.

В настоящее время, – комментирует Владимир Махмутов, – есть только оценки времени жизни ионов, полученные в отдельных экспериментах. Сейчас же у нас появилась возможность точно определить эти времена для ионов разных знаков, так как в лабораторном эксперименте, в отличие от природного, мы знаем плотность потока заряженных частиц, проходящего через рабочий объем камеры, а также энергетические потери частиц на ионизацию воздуха. Известны и все необходимые параметры воздушной среды в камере".

Первый этап эксперимента успешно завершился в начале июля. Проанализировать полученные данные ученые надеются уже к концу августа этого года. Причем анализ будет осуществляться независимо двумя группами – российской, под руководством Владимира Махмутова, и группой исследователей из Финляндии. Окончание проекта запланировано на 2013 год, однако в практике ЦЕРНовских экспериментов имеются случаи пролонгации работ, например, в случае возникновения новых экспериментальных задумок. Для эксперимента CLOUD такие задумки появляются уже сейчас.

В связи с недавним извержением вулкана в Исландии у нас появилось предложение провести эксперимент по исследованию влияния на атмосферу и климат вулканического пепла, частицы которого также имеют заряд. Но это предложение пока на стадии формирования, а вот другое наше предложение – по исследованию процесса конденсации водяных паров на аэрозолях, заряженных разными знаками, уже стоит в плане работ на следующий год. Это крайне важный процесс, который еще не был проанализирован экспериментально, но есть теоретические предпосылки, которые свидетельствуют в пользу того, что отрицательно и положительно заряженные частицы аэрозолей по разному влияют на процесс конденсации водяных паров в атмосфере", – рассказывает руководитель российской группы.

Согласно одобренной руководством ЦЕРНа программе проекта участники коллаборации CLOUD могут пользоваться ускорителем протонов дважды в год. Второй рабочий раунд этого года уже запланирован – на осень. В ходе него будут продолжены эксперименты по исследованию процесса ионообразования в условиях, близких к атмосферным на разных высотах. При этом одним из изменяющихся параметров станет температура воздуха.

Вариация температуры в атмосфере в зависимости от высоты, места, времени года и суток – это обычное явление. Например, в приземной атмосфере летом жарче, зимой холоднее, поэтому важно посмотреть, как же влияет температура на время жизни ионов, – поясняет значимость эксперимента Владимир Махмутов. – На протяжении последних полутора лет мы живем в условиях очень низкой солнечной активности и необычно высоких потоков космических лучей, проникающих в нашу атмосферу. Поэтому актуальность эксперимента CLOUD, также как и проведение измерений потоков космических лучей в атмосфере на разных высотах и широтах, возрастает".

По результатам анализа данных летнего и осеннего раундов эксперимента CLOUD в этом году планируется подготовка и представление докладов на международных конференциях, а также подготовка публикаций, в том числе и для журнала «Nature».

По материалам